Доменная стенка

Доменная стенка — это переходная область между двумя магнитными доменами в ферромагнитных, ферримагнитных или антиферромагнитных материалах, где ориентация магнитных моментов (спинов) меняется с одного направления на другое. Эта область играет важную роль в физике магнетизма, определяя механизмы намагничивания, коэрцитивные свойства и энергетическую стабильность магнитных материалов.

Что такое магнитные домены?

• Магнитный домен — это область в ферромагнитном или ферримагнитном материале, где магнитные моменты атомов (спины) ориентированы в одном направлении.
• Магнитные домены формируются для минимизации общей энергии системы, включая:
  • Энергию магнитостатического поля.
  • Энергию анизотропии.
  • Энергию обменного взаимодействия.

Поскольку направления магнитных моментов в соседних доменах различны, между ними образуется тонкая переходная область — доменная стенка.

Характеристики доменной стенки

1. Толщина

• Толщина доменной стенки составляет несколько нанометров (для тонких стенок) или десятки нанометров в зависимости от материала.
• Толщина определяется балансом между энергией обменного взаимодействия (которая стремится выровнять спины) и энергией магнитной анизотропии (которая предпочитает определённые направления намагничивания).

2. Ширина доменной стенки

Ширина определяется формулой:

$$\mathrm{<span\; style="font-size:16px;"><em>\delta </em></span>}<span\; style="font-size:16px;"><em>\propto </em></span>\sqrt{\frac{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;"><em>A</em></span>}}{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;"><em>K</em></span>}}}<span\; style="font-size:16px;"><em>,</em></span>$$

где:

• $A$ — константа обменного взаимодействия.
• $K$ — энергия магнитной анизотропии.

Большая энергия обменного взаимодействия приводит к более широкой стенке, а высокая энергия анизотропии делает её уже.

3. Магнитные моменты внутри стенки

• Магнитные моменты постепенно меняют ориентацию внутри доменной стенки.
• В идеальном случае это происходит плавно, чтобы минимизировать обменную энергию.

Типы доменных стенок

Блоховская стенка (Bloch wall)

• Магнитные моменты вращаются в плоскости, перпендикулярной направлению доменной стенки.
• Характерна для толстых ферромагнитных плёнок или объёмных материалов.

Нееловская стенка (Néel wall)

• Магнитные моменты вращаются в плоскости, параллельной поверхности материала.
• Наблюдается в тонкоплёночных магнитных материалах.

Вихревая стенка (Vortex wall)

• Встречается в наноструктурах, где доменная стенка принимает сложные формы, такие как вихри.
• Используется в современных магнитных устройствах.

Ступенчатая стенка

• Образуется в материалах с сильной анизотропией, где спины изменяют своё направление не плавно, а скачкообразно.

Энергия доменной стенки

Образование доменной стенки связано с увеличением энергии системы. Основные вклады в энергию доменной стенки:

1. Энергия обменного взаимодействия

• Стремится выровнять магнитные моменты соседних атомов.
• Чем шире стенка, тем меньше обменная энергия.

2. Энергия магнитной анизотропии

• Возникает из-за предпочтения определённых направлений намагничивания.
• Узкие стенки минимизируют эту энергию.

Общая энергия доменной стенки является компромиссом между этими двумя эффектами.

Динамика и движение доменных стенок

Доменные стенки могут двигаться под воздействием внешнего магнитного поля или электрического тока. Это движение определяет процесс перемагничивания материала.

1. Движение под действием магнитного поля

• При приложении магнитного поля доменные стенки смещаются в направлении, увеличивающем объем домена с намагничиванием, совпадающим с полем.
• Этот процесс приводит к изменению намагниченности материала.

2. Движение под действием спинового тока

• В магнитных наноструктурах электрический ток может переносить спин, вызывая движение доменных стенок (эффект переноса момента).
• Это используется в устройствах спинтроники, таких как MRAM.

Экспериментальные методы изучения доменных стенок

1. Микроскопия магнитных сил (MFM): позволяет наблюдать домены и стенки.
2. Керровская микроскопия: использует взаимодействие поляризованного света с магнитным материалом.
3. Рентгеновская магнитная спектроскопия: исследует магнитные структуры с высоким пространственным разрешением.

Применение доменных стенок

Магнитная память

• В современных устройствах хранения информации, таких как MRAM (магнитная память с произвольным доступом), используются доменные стенки для записи и считывания информации.

Логические устройства

• Доменные стенки используются для разработки спинтронных логических устройств, где информация передаётся через движение стенок.

Сенсоры

• Сенсоры на основе магнитных доменов применяются для измерения слабых магнитных полей.

Моделирование и теория доменных стенок

Современные исследования включают численное моделирование доменных стенок с использованием уравнения Ландау-Лифшица-Гильберта:

$$\frac{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;"><em>d</em></span>}\mathbf{<span\; style="font-size:16px;"><em>M</em></span>}}{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;"><em>d</em></span>}\mathrm{<span\; style="font-size:16px;"><em>t</em></span>}}<span\; style="font-size:16px;"><em>=</em></span><span\; style="font-size:16px;"><em>-</em></span>\mathrm{<span\; style="font-size:16px;"><em>\gamma </em></span>}\mathbf{<span\; style="font-size:16px;"><em>M</em></span>}<span\; style="font-size:16px;"><em>\times </em></span>{\mathbf{<span\; style="font-size:16px;"><em>H</em></span>}}_{\text{<span style="font-size:16px;"><em>эфф</em></span>}}<span\; style="font-size:16px;"><em>+</em></span>\mathrm{<span\; style="font-size:16px;"><em>\alpha </em></span>}\mathbf{<span\; style="font-size:16px;"><em>M</em></span>}<span\; style="font-size:16px;"><em>\times </em></span>\frac{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;"><em>d</em></span>}\mathbf{<span\; style="font-size:16px;"><em>M</em></span>}}{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;"><em>d</em></span>}\mathrm{<span\; style="font-size:16px;"><em>t</em></span>}}<span\; style="font-size:16px;"><em>,</em></span>$$

где:

• $\mathbf{M}$ — вектор намагниченности,
• ${\mathbf{H}}_{\text{эфф}}$ — эффективное магнитное поле,
• $\alpha$ — коэффициент демпфирования.

Заключение

Доменная стенка — это тонкая переходная область между магнитными доменами, определяющая многие свойства магнитных материалов. Её структура, энергия и динамика играют ключевую роль в разработке новых устройств, таких как спинтронные элементы и энергоэффективная память. Изучение доменных стенок открывает возможности для более глубокого понимания процессов магнетизма и создания новых технологий.